Možnosti využití slojového metanu v České republice
XIX. ročník mezinárodní konference ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ 2015 Rožnov pod Radhoštěm 9.-10. září 2015
Využití zemního plynu v palivoenergetickém mixu ČR Spotřeba zemního plynu za rok 2014 byla 7,2804 mld. m3. (cca o12 % méně než 2013) 25% - z Norska, 75% z Ruska Produkce zemního plynu v ČR je cca 1 – 2 % domácí spotřeby Podíl zemního plynu na složení palivoenergetického mixu ČR činí v současné době 3,6 % za rok.
Podíl jednotlivých energetických zdrojů na očekávaném vývoji a struktuře hrubé výroby elektřiny v ČR do roku 2040 (%)
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
Černé uhlí
7,04
6,33
5,39
2,65
1,08
1,05
0,96
Hnědé uhlí
49,98
44,15
38,38
28,98
24,34
23,67
19,26
Přírodní plyn
1,31
4,03
4,69
4,00
4,19
4,10
3,81
Ostatní plyny
1,26
1,28
1,38
1,17
1,22
1,18
1,09
Jaderná energetika
32,59
32,90
35,64
47,15
50,08
48,70
53,19
Ostatní paliva
0,95
0,97
1,46
3,31
3,22
3,32
3,22
Obnovitelné a druhotné zdroje energie
6,87
10,34
13,06
12,74
15,87
17,98
18,47
Podíl jednotlivých energetických zdrojů na očekávaném vývoji a struktuře hrubé výroby elelktřiny v ČR do roku 2040
100%
80%
60% % 40%
20%
0% 2010
2015
Černé uhlí
2020
Hnědé uhlí
Přírodní plyn
2025 roky Ostatní plyny
Jaderné palivo
2030
Ostatní paliva
2035
Obnovitelné a druhotné zdroje energie
2040
Ložiska zemního plynu v ČR Ložiska zemního plynu v ČR geneticky svázána se vznikem ropy, se nachází v okrajových oblastech moravské části vídeňské pánve. [1] Jsou uložena v bádenských sedimentech společně s ložisky ropy jako: - samostaná ložiska plynu - plynové čepice ropných ložisek - plyn rozpuštěný v ropě
Plyn sorbovaný na uhelné sloje [2] (CBM), který se získává tzv. degazací a těžbou z již uzavřených hlubinných dolů (uhelných slojí) české části hornoslezské uhelné pánve. Na současné celkové produkci plynu v ČR se zemní plyn sorbovaný na uhelné sloje podílí cca 10 %. Z hlediska vytěžitelných zásob však jeho podíl může přesáhnout 85 %.
Zemní plyn v ČR
Slojový metan (CBM) –nekonvenční zdroj zemního plynu Uhelný metan je produkt procesu prouhelnění. Plyn je vázán uvnitř uhelných slojí jedním z následujících způsobů: - jako adsorbované nebo absorbované molekuly v mikropórech, - jako volný plyn existující mezi trhlinami či póry, - jako rozpuštěný plyn ve vodě i v uhelné hmotě Z těchto možností první způsob představuje až 90 % z celkového zadrženého množství.
Sorbované množství u většiny druhů uhlí je obvykle 2,5 – 40 m3 na tunu. Hlavním faktorem ovlivňujícím proudění plynu a tím i jeho únik je plynopropustnost, která závisí na porézní struktuře uhlí. Ta se zmenšuje s růstem tlaku v horninovém prostředí.
Obecně platí přímá závislost mezi plynopropustností a pórovitostí.
Proces získávání slojového metanu Hlavní operací celého technologického procesu jsou štěpící práce. Jedná se o zatlačování štěpící kapaliny, která po dosažení štěpícího tlaku způsobí naštěpení uhelné sloje. Základní faktory ovlivňující metodiku provedení hydraulického štěpení: - geologicko – ložiskové poměry - technické vystrojení sondy (vrtu) - technické možnosti štěpící techniky, - ekonomické podmínky
Štěpící kapaliny a propant Pro štěpení uhelných slojí se v zásadě používají čtyři druhy štěpících kapalin: - čistá voda - chemicky upravená voda - vysoce viskózní kapaliny na bázi gelu - kapalný CO2 Propant slouží k vyplnění pukliny vytvořené štěpením a brání jejímu uzavření, tj. má za úkol stabilizovat vytvořenou puklinu a zvýšit propustnost systému.
V praxi se jako propant bezvýhradně používá křemičitý písek o různé zrnitosti. Na jeho kvalitu jsou kladeny velmi vysoké nároky a písek musí splňovat velmi přísná kritéria, kterými jsou například: - vytřídění resp. rozložení zrnitosti - obsah prachových částic - ovalita a sféricita zrn - odolnost proti kyselinám - pevnost zrn V rámci programu CBM byl ve většině případů použit propant o zrnitosti 20 – 40 mesh. Pouze v pěti případech byla použita zrnitost 12 – 20 mesh.
Pilotní projekt Energie Kladno V letech 1993 – 2000 bylo v oblasti Čeladné realizováno celkem 38 hydraulických štěpení uhelných slojí na dvaceti vrtech z toho bylo dvakrát provedeno opakované štěpení. Ve čtyřech případech se nepodařilo zatlačit více než 10 t propantu a v osmi případech více než 20 t. Při zbývajících 26 hydraulických štěpeních se zatlačené množství propantu pohybovalo od 20 do 92 tun.
Maximální tlak v průběhu štěpení je limitován použitou štěpící technologií a vystrojením vrtu, resp. jejím nejvyšším povoleným tlakovým zatížením. Vzhledem k maximální povolené hodnotě tlakového zatížení 35 MPa u většiny vrtů byla u nich tato hodnota i nejvyšší možnou použitelnou hodnotou tlaku na ústí vrtu. Výrazněji byla překročena jen ve vrtech Čeladná-1 (39,3 MPa) a TR-2 (55,2 MPa), kde to umožnila vyšší povolená maximální hodnota tlaku použitého zařízení a výstroje. Nejnižší hodnoty maximálního tlaku dosažené v průběhu štěpení byly zaznamenány na vrtech CBM-7 a CBM-9 (11,6MPa)
Štěpící kapalina Ve většině případů byla jako štěpící kapalina použita voda, a to buď čistá, nebo chemicky upravená. Čistá voda jako štěpící kapalina byla použita u osmi štěpených intervalů na pěti vrtech. Chemicky upravená voda byla využívána nejčastěji. Čistá voda (pitná) upravená přidáním KCl a antifrikčního aditiva (polymeru) řady AFA. Hlavním účelem úpravy vody, přidáním 0,5 % KCl a 0,1 % antifrikčního aditiva řady AFA, bylo zabránit případnému bobtnání jílovcových a prachovcových proplástků ve štěpeném intervalu a snížit tlakovou ztrátu při začerpávání kapaliny a současně zvýšit její unášecí schopnost.
Odlišná štěpící kapalina byla použita pouze ve dvou případech. Ve vrtu UG-1 bylo štěpení realizováno kapalným CO2 Použití zkapalněného plynu přináší řadu výhod: - snižuje tlakové ztráty způsobené třením - má vyšší nosnost pro propant - po ukončení štěpení dochází k rychlejšímu ustálení hydrodynamických podmínek
Ve vrtu Čeladná-1A byla použita štěpící kapalina na bázi gelu. Výhody této štěpící kapaliny: Vlivem vysoké viskozity má výrazně vyšší nosnost a unášecí schopnost pro propant Vysoká viskozita současně snižuje ztráty kapaliny filtrací do horniny
Výsledky pilotního projektu Výsledky pilotního projektu přitom naznačují, že potenciál české části Hornoslezské pánve velmi pravděpodobně dosahuje 100 mld. m3 uhelného metanu. Dosažené výsledky a zkušenosti ukazují, že uhelná hmota v našich podmínkách má zcela odlišný charakter, a nelze tak v plné míře aplikovat zahraniční zkušenosti. Po naštěpení dochází velmi rychle ke snížení propustnosti uhelné hmoty vlivem kolmatace puklin uhelným kalem.
Zhodnocení výsledků a analýza rizik Z výsledků matematického modelování je zřejmé, že realizace projektu by vytvářela určité prostředky pro další rozvoj i v minimální verzi základní varianty s pouhými pěti produkčními sondami. V rámci modelování byla ověřována významnost rizikových faktorů pomocí analýzy citlivosti. Principem je zjišťování reakce hospodářského výsledku podnikatelského projektu na negativní změny hodnot relevantních faktorů (viz násl. obrázek).
Z uvedeného obrázku je zřejmé, že rozhodující rizikové faktory, se zcela zásadním dopadem do hospodářského výsledků a tím i do úspěšnosti celého projektu, jsou spjaty s předpokládaným objemem výnosů z těžby. Jde zejména o dosaženou produkční schopnost těžebních sond a odbytovou cenu zemního plynu. - Hlavní faktor rizika projektu: – skutečná produkční schopnost těžebních sond
Doporučení dalšího postupu pro orientovaný výzkum v ČR Pilotní etapa průzkumu na sorbovaný metan (CBM), provedená v letech 1993 až 2000, ukázala na složité zákonitosti geneze a distribuce sorbovaného plynu v uhelných slojích. Prvním předpokladem úspěšnosti případné těžby je plynonosnost Druhým předpokladem je dostatečná prvotní, nebo štěpením vyvolaná propustnost uhelných slojí
Z pilotního průzkumu se sice hydroštěpením podařilo vytvořit v uhelné hmotě komunikační cesty pro plyn, avšak v krátké době došlo k uzavírání komunikace ze sloje do vrtu a k relativně rychlé ztrátě propustnosti slojí i horninových struktur. Příčina ztráty propustnosti spočívala především v nedostatečném zohlednění podmínek vzniku uhelného ložiska a ve specifických vlastnostech uhelných slojí a horninových struktur. Pilotní průzkum potvrdil, že původní americká metoda hydroštěpení není univerzálně použitelná. Pro vypracování nové metody těžby uhelného metanu je nezbytné brát vždy v úvahu geologické podmínky vzniku a uložení ložiska a specifické geotechnické a fyzikálně-chemické vlastnosti uhlí ve sloji a horninových strukturách.
Závažný úkol, vypracovat vhodnou metodu k těžbě slojového metanu (CBM) v Česku, zůstává do současnosti nedořešen. Řešení tohoto úkolu doporučujeme rozdělit do dvou na sebe navazujících etap: - první etapa by měla být zaměřena na vypracování metody umožňující těžbu slojového metanu ve specifických podmínkách české části hornoslezské pánve (HSP) v modelovém měřítku - druhá etapa by se zaměřila na ověření správnosti nové technologie těžby slojového metanu v reálných podmínkách HSP přímo pokusnými těžebními vertikálními vrty.
Závěr Slojový metan (CBM) lze právem zařadit mezi nekonvenční zdroje zemního plynu v ČR V současné době se do popředí zájmu dostává problematika tzv. břidlicového plynu. Vzhledem k velmi složité a komplikované geologické stavbě Českého masívu se lze právem domnívat, že nalezené zdroje, pokud nějaké budou, budou nevýznamné Budoucnost se otevírá slojovému metanu, kde je však třeba se zaměřit na výzkum technologií štěpení uhelné hmoty v našich podmínkách tak, aby nedocházelo ve velmi krátké době po naštěpení ke snižování plynopropustnosti.
Doporučená literatura Ďurica D. et al. (2006): Plyn sorbovaný v uhelných slojích hornoslezské pánve, (Coal Bed Methane in the Upper Silesien Basin). Česká geologická služba Praha, 2006.
Děkuji za pozornost Kontakty: Ing. Kamil Podzemský, Ph.D Ing. Jaroslav Němec, Dr.Sc. Energie – stavební a báňská a.s. –
[email protected]
